DE3928711A1 - Absorptionsmantel zur absorption radioaktiver strahlung und spaltprodukte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Absorptionsmantel zur Ab­ sorption radioaktiver Strahlung und Spaltprodukte.

Um bei Kernreaktoren ein Austreten radioaktiver Direkt­ strahlung und radioaktiver Spaltprodukte zu verhindern, sind mehrere Sicherheitsvorkehrungen vorgesehen. Bei­ spielsweise verringert in einem Kernkraftwerk das Reak­ tordruckgefäß, bei dem es sich um einen Stahlbehälter handelt, die Gammastrahlung. Das Reaktordruckgefäß ist von einem zwei Meter dicken Schild aus Stahlbeton um­ geben, der für eine weitere Abschirmung der verbleiben­ den Gammastrahlung und der Neutronenstrahlung sorgt. Weitere Barrieren gegen das Austreten radioaktiver Strahlung und Stoffe sind der Sicherheitsbehälter aus Beton mit Dichthaut und das Reaktorgebäude. Zur Ab­ schirmung des Reaktors sind also mehrere relativ dicke Wände erforderlich. In ihrer Summe sorgen all diese Barrieren dafür, daß außerhalb des Reaktors direkte Strahlung und radioaktive Spaltprodukte nur noch in vertretbarem Maße austreten. Versagt eine dieser Schutzbarrieren infolge von Undichtigkeit, ist ein sicherer Schutz gegen das Austreten der radioaktiven Strahlung und Stoffe nicht mehr gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Absorp­ tionsmantel zur Absorption radioaktiver Strahlung und Spaltprodukte zu schaffen, der einen sicheren Schutz gegen das Eindringen und/oder Austreten radioaktiver Strahlung und Stoffe darstellt.

Als Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorge­ schlagen, zur Absorption der Gammastrahlung eine erste Schicht aus Blei, zur Absorption der Neutronenschicht eine zweite Schicht aus Bor, Hafnium, Cadmium oder Beryllium, zur Absorption der Alpha- und Beta-Strahlung eine dritte Schicht aus Aluminium und gegen die gas­ förmigen Spaltprodukte eine vierte Schicht aus einer Zirkoniumlegierung vorzusehen. Die Reihenfolge dieser Schichten ist prinzipiell beliebig; die Zirkonium­ legierungsschicht sollte jedoch die zur Strahlungs­ quelle nächstliegende sein, um die weiteren Schichten vor einer Durchdringung mit gasförmigen Spaltprodukten zu schützen.

Zur Absorption der radioaktiven Strahlung bzw. zur Ab­ schirmung der radioaktiven gasförmigen Spaltprodukte braucht der erfindungsgemäße Absorptionsmantel ledig­ lich eine relativ geringe Dicke zu haben, da die einzelnen Schichten bereits bei einer relativ geringen Stärke eine wirkungsvolle Strahlungsabsorption bzw. Abschirmung gegen radioaktive Stoffe bieten. Mit der erfindungsgemäßen Schichtenfolge werden die radio­ aktiven Strahlen (Alpha-, Beta-, Gamma- und Neutronen­ strahlung) wirkungsvoll absorbiert. Die Zirkonium­ legierungsschicht sorgt für eine zuverlässige Ab­ schirmung gegen die bei der Kernspaltung entstehenden radioaktiven Spaltprodukte. Die Dicke der einzelnen Schichten hängt im wesentlichen von der Strahlungs­ intensität ab. Die Blei-Schicht sollte etwa dreimal so stark sein wie jede andere Schicht. Mit dem erfindungs­ gemäßen Strahlen- und Spaltproduktabsorptionsmantel wird die Umgebung von Anlagen mit Kernreaktoren zuver­ lässig geschützt. Die Erfindung trägt damit ent­ scheidend zum Schutz der Umwelt gegen radioaktive Ver­ seuchung bei.

Zur Absicherung von Kernkraftwerken mit Leichtwasser­ reaktoren reichen die oben genannten vier Schichten aus. Bei "schnellen Brütern" oder "schnellen Brut­ reaktoren", bei denen bei der Kernspaltung Plutonium erzeugt wird, ist es zweckmäßig, eine fünfte Schicht aus Titan vorzusehen. Diese Titanschicht absorbiert die vom Plutonium ausgehende radioaktive Strahlung beson­ ders wirkungsvoll.

Vorteilhafterweise sind sämtliche Schichten im Abstand zueinander angeordnet, um die unterschiedliche Aus­ dehnung der einzelnen Schichten bei Erwärmung zu er­ möglichen. Zwischen den einzelnen Schichten können Ab­ standshalter angeordnet sein; vorteilhafterweise be­ findet sich zwischen jeweils zwei benachbarten Schich­ ten eine Schicht aus elastischem Material, die die unterschiedliche Ausdehnung benachbarter Schichten kompensiert.

Der erfindungsgemäße Absorptionsmantel kann zur Aus­ kleidung von Kernkraftwerken, Transportbehältern für radioaktive Stoffe, Zwischen- und Endlagerungsstätten für radioaktiven Abfall, Kernbrennstoff-Verarbeitungs­ anlagen und Wiederaufbereitungsanlagen verwendet werden. Ferner ist der Absorptionsmantel auch als Um­ mantelung von atomaren Satellitenantrieben, als Aus­ kleidung von Röntgenräumen und Laboratorien verwendbar. Schließlich lassen sich mit dem Absorptionsmantel nach der Erfindung auch Zivilschutzräume, Produktionsstätten oder militärische Einrichtungen gegen radioaktive Strahlung und Stoffe sichern.

Zur Absicherung des Reaktors eines Kernkraftwerks wird der erfindungsgemäße Absorptionsmantel vorteilhafter­ weise sowohl auf der Innenseite des Reaktorgebäudes als auch auf der Innenseite des innerhalb des Gebäudes ange­ ordneten Reaktorsicherheitsbehälters angeordnet. In beiden Fällen ist die Zirkoniumlegierungsschicht die zum Reaktorkern nächstliegende Schicht. Eine weitere Möglichkeit der Absicherung des Reaktors besteht darin, die Schichtenfolge in die Wandung des Reaktorgebäudes und des Reaktorsicherheitsbehälters zu integrieren, wobei auch hier die vierte (Zirkoniumlegierungs-) Schicht jeweils die innerste ist. Die Anordnung der Schichtenfolge jeweils am Reaktorgebäude und am Sicher­ heitsbehälter bzw. jeweils in deren Wänden stellt eine doppelte Absicherung des Reaktors dar. Der Absorptions­ mantel am Reaktorgebäude bzw. in dessen Wand sorgt selbst bei einem sogenannte GAU (größter anzunehmender Unfall), bei dem der Reaktorkern und im weiteren Ver­ lauf die Betonhülle des Sicherheitsbehälters schmilzt, bis zur Zerstörung des Sicherheitsbehälters für einen zuverlässigen Schutz vor radioaktiver Strahlung und radioaktiven Stoffen.

Zur Entsorgung stillgelegter Kernkraftwerke läßt sich der erfindungsgemäße Absorptionsmantel ebenfalls ver­ wenden. Hierbei wird der Absorptionsmantel vorteil­ hafterweise um das gesamte Reaktorgebäude gelegt. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, daß die Schichten­ folge von außen an dem Reaktorgebäude angebracht wird, wobei die Zirkoniumlegierungsschicht auf der dem Reak­ torgebäude zugewandten Innenseite des Absorptions­ mantels angeordnet ist. Zur Absicherung von Endlage­ rungsstätten wird der Absorptionsmantel vorteilhafter­ weise um die gesamte Endlagerungsstätte herum ange­ ordnet. Auch hier befindet sich die Zirkoniumlegie­ rungsschicht auf der Innenseite des Absorptionsmantels. Je nach der Stärke der abzuschirmenden radioaktiven Strahlung kann es auch ausreichend sein, lediglich die Zugänge zur Endlagerungsstätte mit dem Absorptions­ mantel zu verschließen. Schließlich eignet sich der erfindungsgemäße Absorptionsmantel auch zum Schutz von Einrichtungen sämtlicher Art gegen radioaktive Strah­ lung und Stoffe; hierbei befindet sich die Zirkonium­ legierungsschicht auf der Außenseite des um die zu schützende Einrichtung herumgelegten Absorptions­ mantels.

Mit dem erfindungsgemäßen Absorptionsmantel ist die Entsorgung stillgelegter Kernkraftwerke durch den "gesicherten Einschluß" des Kernkraftwerks möglich. Bei dieser Variante der Entsorgung werden alle festen und nicht löslichen aktiven Substanzen durch eine dichte Sicherheitsumhüllung am Standort langzeitig einge­ schlossen. Die sicherheitstechnische Überwachung sowie gefahrlose Begehung der stillgelegten Anlage sind während der gesamten Einschlußzeit gewährleistet. Die Anlage kann nach wie vor begangen werden und eine Über­ wachung mit Meßgeräten u.dgl. ist jederzeit möglich. Die Strahlenbelastungen des "gesichert eingeschlos­ senen" stillgelegten Kernkraftwerks werden durch den erfindungsgemäßen Absorptionsmantel wesentlich herab­ gesetzt. Der komplette Einschluß des stillgelegten Kern­ kraftwerks mittels einer mit dem Absorptionsmantel ver­ sehenen Sicherheitsumhüllung stellt eine im Vergleich zu anderen Entsorgungsmaßnahmen relativ kostengünstige Lösung dar.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 schematisch den Reaktorkern und die wesent­ lichen Bestandteile zur Sicherung des Reaktors gegen das Austreten radioaktiver Strahlung und radioaktiver Stoffe und

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung die Anordnung des Absorptionsmantels auf der Innenseite der Reak­ torgebäudewand.

In Fig. 1 sind schematisch die wesentlichen Elemente gegen das Austreten radioaktiver Strahlung und Stoffe am Beispiel eines Siedewasserreaktors dargestellt. Die Brennelemente 10, die jeweils aus mehreren Brennstäben zusammengesetzt sind, sind in einem zu etwa 2/3 mit Wasser gefülltem Reaktordruckgefäß 12 angeordnet. Das Reaktordruckgefäß 12 besteht aus einem Spezialstahl und weist eine Wandstärke von etwa 20 cm auf. Zur Regelung des Reaktorkerns, d.h. zur Regelung der Kernspaltung sind im Reaktordruckgefäß 12 mehrere sogenannte Regel­ stäbe 14 vorgesehen, die zwischen den Brennelementen 10 angeordnet und über außerhalb des Reaktordruckgefäßes 12 befindliche Antriebe 16 längsverschiebbar sind. Die Brennelemente 10 weisen eine Umhüllung 18 auf. Ferner sind im Reaktordruckgefäß 12 Umwälzpumpen 20 zum Um­ wälzen des Wassers vorgesehen. An dem Reaktordruckgefäß 12 sind eine Wasserzulaufleitung 22 und eine Dampf­ abführleitung 24 angeschlossen. Das vom Kondensator kommende Wasser fließt über die Leitung 22 in das Reak­ tordruckgefäß 12 hinein, wird in diesem infolge der bei der Kernspaltung freiwerdenden Energie erhitzt, wobei es verdampft. Der Dampf tritt über die Leitung 24 aus dem Reaktordruckgefäß 12 heraus und gelangt zu den Turbinen.

Das Reaktordruckgefäß 12 ist von einer etwa zwei Meter starken Betonhülle 26 umgeben, die auch als biolo­ gischer Schild bezeichnet wird. Reaktordruckgefäß und dessen Betonumhüllung sind in einem Sicherheitsbehälter aus Stahl untergebracht, dessen Wandstärke ca. 3 cm beträgt. Der Sicherheitsbehälter 28 ist außen mit einer Dichthaut von ca. 4 mm Wandstärke versehen. Der Sicher­ heitsbehälter 28 ist innerhalb des Reaktorgebäudes 30 angeordnet. Das Reaktorgebäude besteht aus Stahlbeton und schützt vor allem gegen äußere Einwirkungen.

Der erfindungsgemäße Absorptionsmantel ist jeweils auf der Innenseite des Sicherheitsbehälters 28 und des Reaktorgebäudes 30 angeordnet. Der Absorptionsmantel besteht aus mehreren Schichten. Der Aufbau und die Schichtenfolge werden nachfolgend anhand des auf der Innenseite des Reaktorgebäude 30 angeordneten Absorp­ tionsmantels beschrieben (Fig. 2). Auf die Innenfläche der Wand des Reaktorgebäudes 30 ist eine Schicht 32 aus Titan aufgebracht. Diese Titan-Schicht 32 soll die radioaktive Strahlung von Plutonium absorbieren, ist also nur bei schnellen Brutreaktoren, bei deren Kern­ spaltung Plutonium anfällt, erforderlich. Dennoch ist die Titan-Schicht 32 in Fig. 2 der Vollständigkeit halber eingezeichnet. Auf der Titan-Schicht befindet sich eine Schicht 34 aus einem elastischen Material, über der eine dicke Blei-Schicht 36 angeordnet ist. Die Blei-Schicht 36 dient zur Absorption der Gammastrah­ lung. Vom Reaktorkern aus betrachtet, befindet sich vor der Blei-Schicht 36 eine Schicht 38 aus Cadmium, Bor, Hafnium oder Beryllium zur Absorption der Neutronen­ strahlung. Der Zwischenraum zwischen der Schicht 38 und der Blei-Schicht 36 ist durch eine Schicht 40 aus elastischem Material ausgefüllt. Im Abstand zur Schicht 38 befindet sich eine Schicht 42 aus Aluminium, die die Alpha- und Beta-Strahlung absorbiert. Auf der der Schicht 38 abgewandten Innenseite der Aluminium-Schicht 42 ist schließlich eine Schicht 44 aus einer Zirkonium­ legierung vorgesehen. Die Zirkoniumlegierungs-Schicht 44 verhindert das Austreten gasförmiger Spaltprodukte und weist als auf der Innenseite des Absorptionsmantels angeordnete innerste Schicht den geringsten Abstand zum Kernreaktor auf. Der Zwischenraum zwischen der Zirko­ niumlegierungs-Schicht 44 und der Aluminium-Schicht 42 sowie der Zwischenraum zwischen der Aluminium-Schicht 42 und der Schicht 38 ist jeweils mit elastischem Mate­ rial 46 bzw. 48 ausgefüllt.

Die einzelnen Schichten 42-44 sind aus einzelnen Plattenelementen zusammengesetzt. Die Platten einer Schicht sind untereinander verschraubt; die Platten unterschiedlicher Schichten sind ebenfalls miteinander verschraubt. Das elastische Material der Schichten 34, 40, 46 und 48 kompensiert die mechanischen Spannungen in dem Absorptionsmantel infolge der unterschiedlich starken Ausdehnung und Schrumpfung der Schichten bei Erwärmung bzw. Abkühlung.

Der erfindungsgemäße Absorptionsmantel kann auch aus selbsttragenden Schichten bestehen. In diesem Fall würden die Zirkoniumlegierungs-Schicht 44, die Alumi­ nium-Schicht 42, die Cadmium-, Bor-, Hafnium- oder Beryllium-Schicht 38, die Blei-Schicht 36 und ge­ gebenenfalls die Titan-Schicht 32 in gegenseitigem Ab­ stand zueinander angeordnet werden; die Zwischenräume können in diesem Fall im wesentlichen materialfrei bleiben, so daß auf die Schichten aus elastischem Material verzichtet werden kann. Anstelle dieser Schichten 34, 40, 46 und 48 aus elastischem Material können verformbare Abstandshalter verwendet werden, die an den Schichten, zwischen denen sie angeordnet sind, befestigt werden.

Wie bereits oben erwähnt, besteht die innerste Schicht 44 aus einer Zirkoniumlegierung. Als Material für die Schicht 44 kommt insbesondere Zircaloy in Frage (Zircaloy ist ein eingetragenes Warenzeichen). Aber auch jede andere Zirkoniumlegierung, die einen sicheren Schutz gegen gasförmige Spaltprodukte bietet, ist als Material für die Schicht 44 verwendbar. Die Dicke der einzelnen Schichten zum Absorbieren der Alpha-, Beta-, Gamma- und Neutronenstrahlung sowie zum Abdichten des Absorptionsmantels gegen gasförmige Spaltprodukte hängt von der Strahlungsintensität ab. Bezüglich der Dicke der einzelnen Schichten relativ zueinander ist zu sagen, daß die Zirkoniumlegierungs-Schicht 44, die Aluminium-Schicht 42, die Schicht 38 aus Cadmium, Bor, Hafnium oder Berillium und die Titan-Schicht 32 in etwa gleich dick sind, während die Blei-Schicht 36 in etwa dreimal so dick ist wie jede der zuvor aufgeführten Schichten. Die Relation der einzelnen Schichten bezüg­ lich ihrer Dicke ist in Fig. 2 zeichnerisch wiederge­ geben; bei dieser Darstellung kann die Stahlbetonwand des Reaktorgebäudes 30, die ca. 1,50 m dick ist, nur noch teilweise dargestellt werden.

Claims (12)

1. Absorptionsmantel zur Absorption radioaktiver Strahlung und Stoffe, gekennzeichnet durch eine erste Schicht (36) aus Blei, eine zweite Schicht (38) aus Bor, Hafnium, Cadmium oder Beryllium, eine dritte Schicht (42) aus Aluminium und eine vierte Schicht (44) aus einer Zirkonium­ legierung.

2. Mantel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine fünfte Schicht (32) aus Titan vorgesehen ist.

3. Mantel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sämtliche Schichten (32, 36, 38, 42, 44) im Abstand zueinander angeordnet sind.

4. Mantel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Schichten (32, 36, 38, 42, 44) jeweils eine Schicht (34, 40, 46, 48) aus elastischem Material angeordnet ist.

5. Verwendung des Absorptionsmantels nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Absicherung des Reaktors eines Kernkraftwerks, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (32, 36, 38, 42, 44) jeweils auf der Innenseite des Reaktorgebäudes (30) und des in diesem vorgesehenen Reaktorsicherheitsbehälters (28) angeordnet sind, wobei die vierte Schicht (44) jeweils die innerste ist.

6. Verwendung des Absorptionsmantels nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Absicherung des Reaktors eines Kernkraftwerks, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten jeweils in den Wänden des Reaktor­ gebäudes (30) und des in diesem angeordneten Reak­ torsicherheitsbehälters (28) integriert sind, wo­ bei die vierte Schicht (44) die innerste ist.

7. Verwendung des Absorptionsmantels nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Entsorgung von stillgelegten Kernkraftwerken.

8. Verwendung des Absorptionsmantels nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionsmantel um das Reaktorgebäude (30) gelegt wird, wobei die vierte Schicht (44) auf der dem Reaktorgebäude (30) zugewandten Innenseite angeordnet ist.

9. Verwendung des Absorptionsmantels nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Absicherung von Endlage­ rungsstätten für strahlenden Abfall.

10. Verwendung des Absorptionsmantels nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionsmantel um die Endlagerungsstätte herum angeordnet wird, wobei die vierte Schicht (44) auf der Innenseite angeordnet ist.

11. Verwendung des Absorptionsmantels nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Schutz von Einrichtungen gegen radioaktive Strahlung und Stoffe.

12. Verwendung des Absorptionsmantels nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptions­ mantel um die zu schützende Einrichtung gelegt wird, wobei die vierte Schicht (44) auf der der Einrichtung abgewandten Außenseite angeordnet ist.